Уменьшить влияние выбросов вредных компонентов. Экология переработки углеводородных систем. Влияние на человека

Негативное влияние вредных компонентов на здоровье населения, флору и фауну, объекты и сооружения не ограничивается территорией, прилегающей к источникам выбросов, а распространяется на сотни и тысячи километров. Поэтому в настоящее время загрязнение окружающей среды приобретает глобальный характер, а расходы на ее охрану стали соизмеримы с величиной экологического ущерба.

Проблема обеспечения энергетической эффективности и экологической безопасности энергетических объектов является многоцелевой (проектирование, эксплуатация, экспертиза, аудит, прогнозирование, мониторинг и др.) и многозначной. Это связано с необходимостью определения уровня использования топливно-энергетических ресурсов, технического состояния оборудования энергообъектов, с применением природоохранных мероприятий и т.п. Сложность решения данной проблемы обусловлена широким спектром определяющих параметров, факторов и показателей экологической опасности.

Уже на уровне выбора показателей экологической безопасности существуют некоторые противоречия. Так, использование показателей валовых выбросов вредных веществ M i (т/г или г/с) необходимо на региональном и особенно глобальном уровнях анализа экобезопасности. Однако данный критерий непригоден при сравнении локальных источников выбросов различной мощности.

Применение удельного показателя в виде отношения M i к выбрасываемому объему дымовых газов V 1 (С i = M i / V 1 – концентрация конкретной примеси в дымовых газах) требуется при оценке предельно допустимых выбросов и концентраций, построении карты загрязнения экологическими выбросами населенной местности и определении зон экологической опасности (риска) согласно установленным санитарно-гигиеническим нормам предельно допустимых концентраций (ПДК) опасных выбросов. Однако этот показатель непригоден при оценке других типов выбросов (например тепловых) и не может быть объектом анализа при сравнении источников экологической опасности различной мощности.

Критерий экологической безопасности в виде отношения M i к количеству подведенной теплоты Q 1 или расхода топлива вообще может дать парадоксальный вывод об экологических преимуществах объекта с более низкой энергетической эффективностью преобразования (использования) энергии топлива.

Наиболее универсальным показателем экобезопасности представляется критерий, который определяется как отношение произведенной энергии Е к валовому выбросу вредного вещества M i в виде g i = Е / M i (кВт·ч/ч).

Можно показать, что

(2.1) где К – коэффициент, учитывающий в общем случае влияние топливного, технологических

и эксплуатационных факторов; ηуст – к.п.д. энергетической установки; ηt – термический к.п.д. цикла; – произведение к.п.д. всех элементов и трактов энергетической установки (для ПТУ – котел, пароперегреватель, турбина, насос, паропроводы, электрогенератор и др.), учитывающее степень необратимости рабочих процессов.

При использовании критерия g i можно выделить следующие факторы влияния, обеспечивающих экологическую безопасность конкретного объекта: термодинамический, топливный, технологический и эксплуатационный (табл.2.5).

Таблица 2.5 Факторы влияния и параметры экологической опасности ТЭС

	Параметры экологической опасности
	Тепловое загрязнение					Твердые выбросы
Термодинамический
Топливный
Технологические Сжигание Очистка и переработка топлива Очистка дымовых газов
Эксплуатационные
Группа параметров

Технологическая группа факторов в свою очередь подразделяется на три подгруппы, влияющие через изменение технологии сжигания топлива, использование технологии очистки и переработки топлива или приемов очистки дымовых газов. Каждый из определенных факторов имеет свои особенности с точки зрения условий обеспечения экологической безопасности.

Термодинамический фактор – наиболее универсальный. Он влияет на все параметры и показатели экологической опасности и является самоокупаемым, так как затраты на его реализацию компенсируются экономией топлива при неизменном уровне производимой тепловой и электрической энергии.

Топливный фактор также характеризуется высокой универсальностью (слабое влияние лишь на тепловые выбросы) и при определенных условиях оказывает значительное влияние на ряд экологических показателей. Возможности его использования зависят от наличия соответствующих природных топливно-энергетических ресурсов, экономической и политической ситуации, сложившейся в данном регионе.

Оба указанных фактора характеризуются реверсивностью влияния, то есть могут улучшать или ухудшать экологическую ситуацию. Реверсивность характерна и для других воздействий.

Технологические факторы являются менее универсальным и по сравнению с двумя предыдущими и в зависимости от особенностей использования могут быть малозатратными (при совершенствовании технологии сжигания топлива) или высокозатратными (при использовании технологических приемов переработки топлива или очистки дымовых газов).

В свою очередь в зависимости от комбинации результативных приемов влияния на параметры загрязнения окружающей среды параметры экологической опасности можно условно разделить на семь характерных групп, исходя из полноты реализации определяющих факторов (см. табл. 2.5).

Пылеулавливание на ТЭС. К наиболее крупным источникам выбросов в атмосферу твердых частиц относятся электростанции, промышленные и отопительные котельные, работающие на угле. Твердые частицы, выбрасываемые топками котельных, представляют собой смесь сажи (несгоревшие частички угля или других видов топлива; их размеры около 1 мм, они очень легки, но могут соединяться между собой в крупные конгломераты, видимые невооруженным глазом), дыма (аэродисперсные системы, состоящие из частичек размером от 0,1 до 10 мкм; плотность дымов очень низка, а составляющие их частицы почти всегда окислены) и пыли (состоит из частиц угля, золы или породы). Термином пыль обычно принято обозначать все три вышеперечисленных вида твердых частиц.

Чем меньше размеры частиц, тем медленнее они оседают в атмосфере. В спокойном воздухе частицы с размерами 100, 10 и 0,5 мкм оседают со скоростями 10, 0,3 и 0,0007 см в секунду соответственно.

Таблица 2.6 Эффективность очистки газообразных выбросов от взвешенных частиц

Устройство	Размер частиц, мкм	Эффективность очистки,
Осадительная камера
Мультициклон
Тканевый фильтр
Скруббер

Природа углей и невозможность абсолютно полного их сжигания определяют неизбежность этих выбросов и необходимость использования специальной аппаратуры для улавливания твердых частиц. Пылеуловители являются обязательными элементами в технологии получения энергии из угля. Вес обеспыливающих агрегатов для крупных теплоэлектростанций может достигать полутора тысяч тонн и более.

Устройства для улавливания пыли разделяются на механические, в которых частицы отделяются посредством сил тяжести, инерции или центробежной силы; мокрые, или гидравлические, в которых частицы в газообразной среде улавливаются жидкостью; фильтры с пористым фильтрующим слоем; электрофильтры, в которых частицы осаждаются за счет ионизации.

Средняя эксплуатационная эффективность различных пылеочистных устройств с учетом размеров частиц приведена в табл. 2.6.

В промышленности наиболее распространенными аппаратами с использованием центробежной силы являются циклоны (рис. 2.6).

Основным недостатком циклонов является их значительный износ вследствие абразивного действия удара частиц пыли о стенки и их скольжения по ним. Износ циклона особенно велик при улавливании частиц размером более 5–10 мкм. Для предохранения от износа применяется покрытие из синтетических материалов и высокопрочных сплавов, которые хорошо сопротивляются истирающему действию пыли.

Удельный расход энергии на обеспыливание колеблется от 0,11 до 0,25 кВт·ч на 1000 м 3 обрабатываемого газа в зависимости от конструкции и эффективности пылеуловителя.

В обеспыливающих устройствах мокрого типа запыленный газовый поток соприкасается с жидкостью, а именно с орошаемыми ею поверхностями. В качестве смачивающей жидкости используют чистую воду или воду со смачивающими добавками. При этом пылевая частица захватывается поверхностью стекающего потока и удаляется в виде шлама. Разбрызгивание жидкости и электростатическое притяжение повышают качество обеспыливания. Простой и эффективной конструкцией мокрого пылеуловителя является скруббер, в котором запыленный поток проходит через ряд сечений, снабженных оросительной системой. В этих сечениях можно разместить различные насадки с распыливающими соплами и тогда к пылеулавливающему действию смоченной поверхности добавляется действие водяной завесы. Примером такого устройства является широко известная промывная башня (рис. 2.7), заполненная кольцами Рашига (кольцевые цилиндры с диаметром, равным высоте), стекловолокном и другими материалами.

На электростанциях Украины наиболее широко используются мокрые золоуловители (в котлах ТЭЦ и энергоблоках мощностью 100, 150 и 200 МВт) и электрофильтры (в энергоблоках мощностью 300 МВт).

На рис. 2.8 показана схема золоуловителя с коагулятором в форме трубы Вентури. В движущийся поток газов перед трубой Вентури вводится через разбрызгивающий насадок вода. Труба Вентури состоит из конфузора, в котором пылегазовый поток разгоняется до скорости 50–70 м/с, горловины, где капли дробятся при взаимодействии с быстро движущимся потоком, и диффузора, в котором частицы золы сталкиваются с каплями воды и скорость пылегазового потока снижается. Далее поток тангенциально вводится в скруббер, стенки которого орошаются водой, и коагулированные частицы эффективно удаляются в золовой бункер.

Электрофильтры – устройства, в которых очистка газов от взвешенных в них твердых или жидких частиц происходит под действием электрических сил. Для этого частицам сообщается электрический заряд в поле коронного разряда. Коронный разряд – одна из форм самостоятельного электрического разряда, возникающая в сильно неоднородных электрических полях. Проявляется он в виде свечения ионизированного газа в приэлектродной области. В поле коронного разряда молекулы воздуха ионизируются и при движении отдают свои заряды пылинкам, которые под действием электрического поля движутся к электродам и, оседая на них, теряют свой заряд. Далее с помощью ударного механизма встряхиваются электроды и частички, отделившиеся от них под действием силы тяжести, попадают в бункер.

В зависимости от направления газового потока в активной зоне аппарата электрофильтры подразделяются на горизонтальные и вертикальные, а по конструкции осадительных электродов – на пластинчатые и трубчатые. В пластинчатых электрофильтрах осадительные электроды выполняются в виде параллельных поверхностей, набираемых из пластин определенного сечения, а в трубчатых электрофильтрах осадительные электроды выполнены в виде труб круглого, овального или шестигранного сечения.

Электрофильтры различной производительности отличаются друг от друга высотой электродов, активной длиной электрических полей по ходу газа, площадью активного сечения, площадью осаждения и активной длиной коронирующих элементов в аппаратах.

На рис. 2.9 представлена схема электрофильтров типа ЭГЗ, которые установлены на ряде крупных ТЭЦ, цементных заводах и других предприятиях.

Коронирующие электроды здесь выполнены из ленточно-игольчатых элементов с шагом между иглами 40 мм. Встряхивание коронирующих электродов осуществляется в двух уровнях ударом молотка через промежуточный шток по наковальням каждого электрода. Каждое поле секционировано на два полуполя, что позволяет применить для каждого из них отдельные агрегаты питания.

Гидравлическое сопротивление электрофильтров незначительно и составляет максимум 15–40 мм вод. ст. Потребляемая ими энергия слагается из энергии, необходимой для преодоления гидравлического сопротивления электрофильтра, и энергии, потребляемой генератором тока высокого напряжения. Ее средний удельный расход изменяется от 0,12 до 0,20 кВт·ч на 1000 м 3 очищаемого газа.

Электрофильтры, применяемые в Украине, России и других странах СНГ, выпускаются двух типов: УГЗ с высотой электрода 7,5 м и активной длиной каждого поля 2,5 м и УГЗ с высотой электрода 12,2 м и длиной поля 4 м. Полей в каждом электрофильтре может быть 3 и 4.

Методы снижения содержания оксидов азота и очистки дымовых газов от них при сжигании топлива в котлах. Пагубность воздействия оксидов азота на окружающую среду и в конечном счете на человека, велика. Длительное воздействие даже сравнительно небольших концентраций NO x в воздухе увеличивает количество острых и хронических респираторных заболеваний, а также негативно действует на растительный и животный мир. Поэтому снижение их содержания в газовых выбросах топливоиспользующих агрегатов – одна их важных забот технологов. Если раньше речь шла о концентрациях NО х в выбросах продуктов сгорания в сотни миллиграмм на кубический метр, то сегодня экологическая безопасность диктует необходимость снижения содержания этих загрязнителей до десятков и даже единиц миллиграммов на кубический метр.

При горении топлива или взрыве реакция окисления атмосферного азота свободным кислородом формально описывается уравнением
N 2 + O 2 ↔ 2NO – 180 кДж/моль. Фактически же образование NО происходит в результате ряда цепных реакций.

Наибольшее влияние на образование оксида азота оказывает температура. С ее ростом от 1500 до 2200 К выход оксида азота увеличивается примерно в 10 раз, в то время как пятикратное увеличение концентрации кислорода повышает выход NO лишь в 2 раза.

Скорость и механизм образования и разложения оксида азота впервые были исследованы Я.Б. Зельдовичем на примере горения светильного газа. По мнению Я.Б. Зельдовича горение происходит столь быстро, что окисление азота начинается только после его окончания – в уже образовавшихся продуктах сгорания. Исследования, проведенные С. Фенимором (США), И. Сигалом (СССР) и др., показали, что, кроме температуры и времени реакции, на образование «термических» NO решающее влияние имеют содержание радикалов и реакции в начальной зоне горения.

«быстрого» – за счет активации молекулярного азота по реакциям с углеводородными радикалами, присутствующими в зоне реакции; «топливного» – за счет окисления присутствующих в топливе азотсодержащих соединений; четвёртый механизм (образование через N 2 O) имеет существенное значение при больших избытках воздуха (газовые турбины и т.п.).

Методы снижения образования оксидов азота направлены на подавление «термических», а при необходимости также и «топливных» NO х .

Снижение образования «термических» NO x достигается путем воздействия главным образом на максимальную температуру горения, что обеспечивается вводом газов рециркуляции, воды и пара в зону горения или в дутьевой воздух, а также двухи трехступенчатым сжиганием топлива, снижающим максимальную температуру и содержание кислорода в зоне максимальных температур. Выход «топливных» NO х в меньшей мере зависит от максимальной температуры, но сильно зависит от избытка воздуха, поэтому здесь более эффективным является ступенчатое горение.

При сжигании газа часто удается существенно уменьшить выход «термических» NО х , приблизив их концентрации к уровню «быстрых» или к 100–120 мг/м 3 при холодном дутьевом воздухе и к 150–200 мг/м 3 при горячем воздухе.

Метод рециркуляции дымовых газов. Этот метод получил распространение в конце 70-х годов ХХ ст. и с тех пор широко применяется в котельной технике. Обычно дымовые газы с температурой 300–400°С отбираются перед воздухоподогревателем и специальным рециркуляционным дымососом подаются в топочную камеру. В результате максимальная температура в топке снижается на 120–130°С и, кроме того, падает концентрация кислорода в зоне горения, что также уменьшает образование топливных NO x. При этом к.п.д. котла снижается сравнительно мало (0,01–0,03% на 1% рециркулирующих газов).

Таблица 2.7 Влияние способа ввода газов рециркуляции в топку на снижение образования NO х при сжигании природного газа

Способ подачи газов рециркуляции в топку	Интенсивность снижения образования NOх в % на 1% газов рециркуляции
В топливо
В первичный воздух
В общий канал дутьевого воздуха
По кольцевому каналу вокруг горелки
Через шлицы напротив нижнего яруса горелок
Через шлицы под горелками
Через шлицы в поду топки

Наибольшее распространение получил ввод дымовых газов рециркуляции в смеси с дутьевым воздухом. Подача рециркуляционных газов с топливом более эффективно снижает выход оксидов азота, чем подмешивание их в дутьевой воздух. При одинаковой степени рециркуляции, например при сжигании газа, в первом случае выход NO x снижается на 45,4%, а во втором – на 22,7%. Это

имеет существенное значение, так как применение рециркуляции приводит к снижению к.п.д. котлов пропорционально количеству подаваемых газов рециркуляции. Так, при увеличении степени рециркуляции с 20 до 30% к.п.д. котла снижается соответственно на 0,5 и 0,75%.

Применение рециркуляции связано с определенными трудностями, к которым относится необходимость в специальном рециркуляционном вентиляторе и в газоходах. Кроме того, повышается сопротивление воздушного тракта, возможны нарушения стабилизации пламени или появление сажи при чрезмерной степени рециркуляции. В настоящее время рециркуляция газов применяется в мощных котлах энергоблоков, работающих на угольной пыли, мазуте и природном газе. Очень широко используется рециркуляция газов и в зарубежных котлах. По результатам исследований влияния подачи газов рециркуляции в дутьевой воздух на выход NO х , проведенных Институтом газа НАНУ, подача газов рециркуляции в количестве 20% от объёма воздуха, необходимого для горения, позволяет в 2 раза снизить выход оксидов азота, но при этом к.п.д. котла снижается на 0,64%.

Кроме того, из-за перегрузки тягодутьевых устройств на максимальной нагрузке котла, где выход оксидов азота наибольший, рециркуляция часто не используется или используется недостаточно.

В связи с этим в Институте газа НАНУ разработан метод и созданы опытно-промышленные газогорелочные устройства с подачей газов рецируляции не в дутьевой воздух, а в топливо (природный газ). При этом интенсивность воздействия 1 м 3 газов рециркуляции (в %) на выход NO х возрастает в 2 раза и более, что позволяет использовать рециркуляцию дымовых газов при полной нагрузке котла (табл. 2.7).

Технически возможно обеспечить рециркуляцию и без специального рециркуляционного дымососа. Для этого в дымоходе котла вблизи дымососа устанавливается специальный языковый шибер, позволяющий регулируемо отбирать около 20% дымовых газов и направлять их на вход дутьевого вентилятора. По такой схеме Институтом газа НАНУ и другими организациями оборудован ряд котлов производительностью 10–220 т/ч пара в Украине и России. Аналогичные схемы применяются и в ряде других стран.

Ступенчатое сжигание топлива. Сущность этого метода подавления образования оксидов азота заключается в том, что в первичную зону горения подается воздуха меньше, чем необходимо теоретически (α = 0,70–0,95), остальное количество воздуха, требуемое для полного сжигания топлива, подается далее на одном или нескольких уровнях по длине факела, в результате чего снижаются максимальная температура в зоне горения, содержание кислорода в ядре факела, уменьшается скорости реакции образования оксида азота, увеличиваются длина и светимость факела.

Важнейшей особенностью ступенчатого сжигания является наличие восстановительной зоны, где из-за недостатка воздуха появляются продукты неполного сгорания СО и Н 2 , а оксид азота не образуется. Этот основополагающий принцип – формирование в факеле восстановительной зоны – в настоящее время широко применяется также при разработке малотоксичных горелок.

При ступенчатом сжигании концентрация NО в восстановительной зоне снижается, а при трехступенчатом сжигании оксид азота, поступивший из окислительной зоны, даже восстанавливается до молекулярного азота.

Конструктивно стадийное горение применяют в котельных агрегатах с многоярусным расположением горелок, что позволяет регулировать соотношение топливо–воздух по длине факела. Горелочные устройства нижнего яруса работают с недостатком воздуха, остальной воздух подается через фурмы воздушного дутья или горелочные устройства верхнего ряда, куда топлива подается мало или оно совсем не подается.

Следующим эффективным методом является ввод небольших количеств воды или пара в зону горения. Ввод воды или пара в количестве более 5–6% массы подаваемого в горелки воздуха может оказать отрицательное влияние на полноту сгорания и снизить к.п.д. на 4–5% из-за существенного снижения температуры.

Наряду с этим следует отметить сравнительную простоту реализации данного метода, более глубокое дожигание в факеле оксида углерода и бензпирена, а также возможность использования при сжигании твердых топлив.

Горелочные устройства с пониженным выходом оксидов азота. В горелках энергетических котлов обычно только часть воздуха смешивается с топливом до поступления в топочную камеру, поэтому скорость процесса горения на разных этапах развития факела может определяться или кинетикой процесса, или скоростью диффузии кислорода. В связи с этим проблема создания малотоксичных горелок – это в первую очередь проблема образования топливовоздушной смеси. В Украине в 1978–1985 гг. в Институте газа НАНУ под руководством И.Я.Сигала были разработаны газомазутные горелки двухстадийного горения ГДС-50 и ГДС-100 соответственно для водогрейных котлов ПТВМ-50 и ПТВМ-100. В горелках дутьевой воздух разделяется на первичный (α 1 = 0,80) и вторичный (α 2 = 0,20–0,25), подаваемый по центральной трубе (рис. 2.11) прямым незакрученным потоком в зону горения за плоскостью максимальных температур.

Такие горелки эксплуатируются более чем на 100 мощных водогрейных котлах производительностью 58 и 116 МВт в Киеве, Львове, Москве, Казани, Вильнюсе, Риге и других городах. Они позволили уменьшить выброс оксидов азота на 30–50% без снижения к.п.д. котлов.

Схема пылеугольной горелки, разработанная при использовании концепции двухстадийного сжигания, показана на рис 2.12.

Топливовоздушная смесь и внутренний вторичный воздух образуют восстановительную зону. Эти потоки организованы таким образом, что перед горелкой формируется зона с сильной внутренней рециркуляцией, обеспечивающая быстрый нагрев угольных частиц и выделение летучих веществ, Использование таких горелок позволяет снизить эмиссию NО практически в 1,5–2 раза. Уже в 1986 г. в ФРГ эксплуатировались около 400 таких горелок. Ими были оснащены котлы общей мощностью 19000 МВт, включая блоки 550 МВт.

Большой объем работ по разработке горелочных устройств и процессов ступенчатого горения выполнен в Институте газа НАНУ под руководством И.Я. Сигала, во Всероссийском теплотехническом институте (Москва) под руководством Ю.П. Енякина, В.А. Котлера, В.И. Бабия и в Московском энергетическом институте под руководством П.В. Рослякова.

Процессы химического восстановления оксидов азота. Оксид азота способен восстанавливаться до N 2 или N 2 О метаном, водородом, оксидом углерода и аммиаком. Из этих восстановителей только аммиак способен реагировать с диоксидом азота в присутствии кислорода, всегда содержащегося в выбросах топливосжигающих устройств. Остальные восстановители в первую очередь реагируют с кислородом, поэтому их использование в ряде случаев неэффективно. В окислительной среде оксиды азота могут восстанавливаться аммиаком, что приводит к его дополнительному расходованию. Конструктивно аммиачно-каталитическая очистка (СКВ-процесс) осуществляется следующим образом. В поток дымовых газов, обычно между экономайзером и воздухоподогревателем котла, вводится коллектор – перфорированная труба, через отверстия которой выходит аммиак. На расстоянии 0,5–1,5 м от нее расположена кассета с катализатором (V 2 O 5 или другие). При этом одна из главных проблем – снижение сопротивления катализатора.

В США, ФРГ и особенно в Японии с конца 1970-х годов аммиачно-каталитический метод весьма широко применяется для очистки от NO х дымовых газов котлов энергоблоков и ряда городских ТЭЦ. Степень восстановления аммиаком обычно составляет 70–95%. При очистке с продуктами сгорания выбрасывается избыточный аммиак, что несколько повышает токсичность продуктов сгорания и является недостатком метода. Сопротивление слоя катализатора обычно невысокое и составляет 245–392 Па. Применяются различные катализаторы в виде пластин, таблеток и сот. Пониженная степень восстановления, которая иногда наблюдается, объясняется тем, что наряду с азотом (наиболее вероятная реакция) в заметных количествах образуется N 2 О.

Вторым направлением в очистке дымовых газов от оксидов азота является прямое вдувание аммиака в топочную камеру, дающее наибольший эффект в области температур 950–1000°С. Этот процесс, разработка которого впервые начата фирмой «ЭССО», позволяет избавиться от катализатора. Исследования, проведенные при непосредственном вводе аммиака в топочную камеру в области температур 850–1200°С, показали, что степень восстановления NO зависит от ряда факторов, основные из которых: а) температура, б) соотношение NH 3 /NO; в) концентрация NO; время реакции. Этот процесс был открыт Р. Лайоном в 1978 г. и называется селективным неката7 литическим процессом восстановления (СНКВ) . С точки зрения химического механизма в процессе СНКВ может быть использован как аммиак, так и аммиачная вода, поскольку в реакционной зоне в обоих случаях присутствует газообразный аммиак. Процесс СНКВ имеет следующие особенности:

• эффективность очистки с ростом температуры проходит через максимум в районе 900°С;
• расход аммиака на нейтрализацию 1 моля оксидов азота во всех случаях превышает 1 моль и возрастает с ростом температуры;
• проскок аммиака непрерывно падает с ростом температуры.

Таким образом, эффективная очистка может быть реализована только в определенном температурном диапазоне (температурное окно) процесса. Так как проскок аммиака ограничен принятыми нормами, то и эффективность очистки оказывается ограниченной. Основным достоинством этой технологии являются низкие капитальные вложения и металлоемкость.

В установках СНКВ аммиак из хранилища подают в испаритель в виде трубы Вентури, в которой происходит испарение аммиака (или аммиачной воды) паром.

Температура восстановления оксидов азота аммиаком может быть существенно понижена – до уровня 120–500°С – за счет применения катализаторов. Такая технология называется селективным каталитиче7 ским восстановлением (СКВ) . Эффективность СКВ-процесса составляет 80–90%.

Применение катализатора позволяет также уменьшить расход аммиака до одной молекулы NH 3 на одну нейтрализованную молекулу NO x .

В случае применения в качестве реагентов аммиачной воды или мочевины перед подачей в каталитический реактор они должны быть конвертированы до аммиака.

Впервые СКВ-процесс был реализован в Японии в конце 70-х годов прошлого века и в настоящее время широко используется, причем исследования этого процесса продолжаются и направлены в основном на увеличение ресурса традиционных катализаторов и разработку принципиально новых каталитических систем.

Общее число СКВ-установок в мире только на ТЭС в настоящее время превышает 400. СКВ-метод очистки от оксидов азота широко применяется как для котлов, так и для газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания, мусоросжигательных установок.

Процессы очистки дымовых газов от оксидов азота также получают широкое применение. При совмещении различных технологических процессов очистки в одном цикле можно добиться существенного снижения выбросов NO x .

В заключение следует подчеркнуть, что затраты на очистку газов от оксидов азота, включая каталитические методы, как минимум, на 1–2 порядка превышают стоимость методов снижения их образования. Поэтому очистку следует применять после использования имеющихся методов подавления, если требуется более существенное снижение концентрации NO x .

Сероочистка на ТЭС. Большая часть серы выбрасывается в воздух в форме диоксида серы, образующегося при сжигании ископаемого топлива. В угле, добываемом в Украине, содержание серы очень высоко – от 1,7 до 3,6%. На долю электростанций приходится не менее 50% диоксида серы. Примерно 25% переносится в Украину из других стран через западную границу. Существует ряд технологий обессеривания топлива и улавливания серы из продуктов сжигания. К сожалению, сероочистка дымовых газов в Украине почти не используется, что объясняется высокими затратами и работой значительной части котлов энергоблоков в течение ряда лет в летний период на природном газе. Однако в связи с увеличением доли угля на ТЭС оснащение системами сероочистки хотя бы котлов энергоблоков 300 МВт уже в ближайшие годы является необходимым.

Улавливание сернистых соединений в выбросах ТЭС и различных производств является одним из наиболее сложных и трудоемких процессов по следующим причинам: количество выбрасываемых газов очень велико; поглощение сернистых соединений сопровождается отложением солей кальция и магния на стенках труб, т.е. забиванием аппаратуры; санитарные нормы на содержание сернистых соединений в атмосфере достаточно низки и составляют: 0,5 мг/м 3 – максимально-разовое и 0,05 мг/м 3 – среднесуточное в воздухе населенных мест.

Использование углей и мазута с высоким содержанием серы вызывает загрязнение воздушного бассейна, а также приводит к повреждениям и остановкам котлов вследствие коррозии топочных экранов и хвостовых поверхностей нагрева. В ряде стран применяется десульфурирование угля путем дробления и промывки водой и щелочными растворами или путем удаления колчедана из угля магнитными сепараторами. Такими способами в принципе можно уменьшить общее содержание серы в топливе на 30–75%. Для Украины, где во многих энергоблоках мощностью 200 и 300 МВт используются низкосортные газовые угли с содержанием серы 3–3,5% и более половины из них состоят из ферромагнитных соединений, серу можно извлекать с помощью магнитной сепарации.

Сероочистка угля и мазута разработана недостаточно и применяется в ограниченном объёме. Поэтому в мировой практике, как правило, очищают от серы дымовые газы, для чего применяют различные процессы. Их можно разделить на три главные группы: процессы с применением жидких поглотителей – абсорбционные (мокрые) и процессы, основанные на взаимодействии газа с твердым веществом – адсорбционные и каталитические (сухие). Преимущественно в этих процессах поглотителем служат известняк (СаСО 3) или известь (СаО).

Чаще для очистки дымовых газов от серы применяют известняковый метод очистки, при котором газы орошают циркулирующей пульпой известняка (СаСО 3 ). При этом протекают реакции:

СаСО 3 + SO 2 → CaSO 3 + СО 2 .

Сульфит кальция выпадает в осадок, а получаемую суспензию переводят в сульфатную форму окислением воздухом в нижней части абсорбционной башни.

К недостаткам применения известняка относят сравнительно низкую степень использования кальция – 60–70%. Поэтому его часто заменяют оксидом кальция – известью:

СаО + SO 2 → CaSO 3 ,

что позволяет также увеличить эффективность очистки. Но 85% всех работающих установок в мире используют именно мокрый известняковый метод. Существенной проблемой мокрого метода является кристаллизация гипса: соединения железа, алюминия и хлора, попадая в раствор, препятствуют росту кристаллов, что приводит к образованию мелкокристаллического осадка гипса, который плохо фильтруется и быстро схватывается.

Вместо известняка и извести применяют также водную суспензию MgO (магнезитовый метод) или сульфит-гидросульфит аммония – (NH 4 ) 2 SO 3 ·NH 4 HSO 3 (аммиачный метод).

Сущность магнезитового способа заключается в связывании диоксида серы суспензией магния при 45–65°С. Получающийся при этом сульфат магния выпадает в виде крупных кристаллов MgSO 3 ·6H 2 O и небольшого количества MgSO 4 . Кристаллы отделяют от раствора, сушат и направляют в печь обжига, где при 900–1000°С происходит термическая диссоциация сульфита магния с образованием MgO и газов, содержащих 10–12% SO 2, которые используют для получения серной кислоты. Степень очистки составляет 90–92%. Хотя этот метод прост, он осложняется наличием многочисленных операций с твердыми веществами, а значит, пылеобразованием, абразивным износом аппаратуры и коммуникаций. Для сушки кристаллов и удаления из них гидратной воды требуется значительное количество тепла.

Впервые в мировой практике скруббер для улавливания SO 2 с помощью суспензии MgO был применен на территории бывшего СССР еще в 1937 году на Каширской электростанции; в послевоенные годы установка известковой очистки была построена на Киевской ТЭЦ-4.

Сульфит-бисульфитные методы очистки позволяют очищать дымовые газы с любым содержанием SO 2. В качестве абсорбента используют сульфит натрия (процесс Wellman–Lord) или аммония (процесс Walter), которые при поглощении SO 2 образуют бисульфиты.

К нетрадиционным мокрым методам относятся озонная и электронно-лучевая технологии. В первом методе SO 2 и NO х окисляются озоном до SО 3 и NO 2 , которые затем вступают в реакцию с впрыскиваемым аммиаком.

При электронно-лучевой технологии дымовые газы облучаются мощными электронными пучками. При этом образуются атомы и радикалы, также обеспечивающие эффективное окисление SO 2 и NO, которые связываются аммиаком и улавливаются в виде сульфата и нитрата аммония. Метод имеет те же недостатки, что и озонный и аммиачные методы и, кроме того, требует применения высоковольтной аппаратуры и радиационной защиты.

«Сухие» методы очистки основаны на подаче химических реагентов в топку или газовый тракт котла. В настоящее время в ряде случаев при разработке систем очистки для их удешевления стремятся совмещать снижение выброса SO 2 с подавлением образования оксидов азота (NО х ). Известно, что образование NO подавляется при ступенчатом сжигании топлива, когда в факеле образуется восстановительная зона. Технологически этот процесс, как и сухая очистка от SO 2 , осуществляется в верхней части топочной камеры. Это позволило создать технологическую схему, объединяющую оба процесса. Этот метод получил название GR-SI и был внедрен на электростанциях в США, где сжигается высокосернистый битуминозный уголь с содержанием серы до 2,9%. Сорбент распыливали воздухом в верхнюю часть топки при соотношении Ca/S = l,75. Метод позволил уменьшить одновременно выбросы сернистого ангидрида на 50–60% и оксидов азота на 60–70%. При этом надежность и экономичность котлов не снизились.

К сухим методам очистки относится также каталитическое окисление сернистого ангидрида в серный с использованием ванадиевого катализатора (рис. 2.13). Он заключается в окислении диоксида серы до SО3 на катализаторе с дальнейшим поглощением его водой.

Подлежащие очистке дымовые газы отводят из парового котла при температуре 300°С (предельная температура эксплуатации электрофильтров). Газы подвергаются грубой очистке в инерционном аппарате и тонкой – в электрофильтре. Затем очищенные от пыли газы при той же температуре направляются в рекуператор, встроенный в паровой котел, где они подогреваются до 450°С и поступают в контактный аппарат с катализатором, где SO 2 окисляется в SО 3 .

Для улавливания SО 3 и использования тепла дымовых газов их пропускают через отдельный воздухоподогреватель, где влажные дымовые газы охлаждаются ниже точки росы для H 2 SO 4 . Образующийся туман серной кислоты улавливается в электрофильтре. Очищенные газы выбрасываются через дымовую трубу, серная кислота поступает в специальную тару и отправляется на склад. Аппаратурное оформление сухой каталитической очистки чрезвычайно громоздко, требует значительных капитальных затрат на ремонт, обслуживание и размещение. Повышение к.п.д. процесса улавливания серы до 90% и снижение эксплуатационных затрат может быть достигнуто при сжигании топлива в кипящем (псевдоожиженном) слое. В этом случае может быть обеспечено связывание сернистого ангидрида собственной щелочью топлива. Некоторые виды топлива (эстонские сланцы, березовские и ирша-бородинские угли) содержат достаточно большое количество СаО для связывания оксида серы. В таких случаях, т.е. когда отношение CaO/SO 2 >l, процесс в кипящем слое выгоден в первую очередь. Кроме того, сжигание угля в кипящем слое протекает при более низких температурах (до 900–950°С), в связи с чем образуются сравнительно малые количества оксидов азота. При сжигании в кипящем слое донецких углей, имеющих высокое серосодержание, необходимо дополнительное количество СаО добавлять в топливо или вводить в топку котла.

В то же время применение котлов с кипящим слоем при улавливании 80–90% сернистого ангидрида и снижении выхода оксидов азота позволило бы обеспечить эксплуатацию котлов устаревших конструкций производительностью 100–230 т/ч пара, а также части энергоблоков на донецких углях без существенного загрязнения окружающего воздуха.

Западными зарубежными фирмами введены в эксплуатацию или переоборудованы несколько десятков котлов электростанций, в которых уголь сжигается в кипящем слое или циркулирующем кипящем слое с добавкой в топку оксида кальция.

Удельные затраты на сооружение современных систем сероочистки, являющихся технологически сложными и капиталоемкими сооружениями, колеблются от 50 до 250 дол. США на 1 кВт электрической мощности котла (или от 15 до 65 млн. дол. США на энергоблок 300 МВт).

Последние 30 лет практически все работающие на угле котлы электростанций Германии, а также значительное количество их в США и других развитых странах оборудованы системами сероочистки дымовых газов.

Наиболее капиталоемкими являются природоохранные мероприятия. Капиталовложения в них составляют 2% внутреннего продукта в США и Японии, 1,2–1,8% – в странах Западной Европы. Эти средства используют на сооружение и эксплуатацию очистных сооружений. Их объем может составлять 30% стоимости основных промышленно-производственных фондов и более. При этом природоохранные мероприятия не дают 100%-ного эффекта очистки вредных выбросов. Улавливание выбросов не решает проблему отходов и лишь переводит их в более безопасную для окружающей среды форму. Поэтому в последнее время во всем мире преимущественное развитие получила стратегия использования отходов производства, ресурсои энергосбережения. В соответствии с этой стратегией создаются условия комплексного использования сырья (топливно-энергетических ресурсов) и энергии в цикле сырьевые ресурсы – производство – использование – вторичные ресурсы таким способом, чтобы исключить какое-либо влияние, способствующее нарушению равновесного состояния функционирования окружающей среды.

К основным направлениям безотходных технологий относятся комплексное использование сырья; создание замкнутых газои водооборотных систем; разработка принципиально новых и совершенствование действующих процессов производства; переработка и использование энергетических отходов (теплота, зола, шлак, продукты очистки дымовых газов и т.п.).

Сегодня во многих странах отходы тепловых электростанций служат сырьем для изготовления строительных материалов – бетонных блоков, панелей, дорожного покрытия, силикатного кирпича. В США с этой целью они используются на 20%, в Великобритании – на 60%, во Франции – на 72% и в Финляндии – на 84%.

Одним из направлений повышения эффективности в энергетике является энергосбережение, осуществляемое, например, путем уменьшения энергоемкости единицы продукции за счет модернизации производственных процессов.

Во многих странах используют различные меры для экономии энергии на производстве и в быту. К ним относятся внедрение норм и ограничений потребления энергии и топлива с соответствующими системами штрафов за перерасход; введение летнего времени; улучшение теплоизоляции жилых зданий и производственных помещений и т.д.

В некоторых штатах США существует система льготных кредитов для энергогенерирующих компаний при реализации мероприятий по снижению токсичности дымовых газов энергоустановок.

Важным направлением повышения экологической безопасности энергетических объектов является внедрение экологического мониторинга и развитие систем экологической информации. Экологический мониторинг осуществляется на четырех уровнях:

• локальном – на территории отдельных объектов, городов, на участках ландшафтов, на промышленных объектах и прилегающих к ним территориях;
• региональном – в границах административно-территориальных единиц, на территории экологических и природных регионов;
• национальном – на территории страны, в том числе с использованием космических средств наблюдения;
• глобальном, который осуществляется на основе международных соглашений.

Значительным направлением повышения энергетической эффективности и экологической безопасности объектов теплоэнергетики являются стимулирование развития и практического использования новейших научных достижений и научно-технических разработок в области технологии переработки и сжигания топлива, совершенствование и разработка новых технологий преобразования химической энергии топлива в другие виды энергии, совершенствование рабочего процесса с целью снижения уровня необратимых потерь в отдельных элементах и фрагментах энергетических установок, снижения потерь тепловой и электрической энергии при передаче ее потребителю, улучшения условий эксплуатации и повышения надежности работы энергетических установок. Особая роль при этом отводится профессиональной подготовке обслуживающего персонала и совершенствованию систем автоматизации и управления энергоустановок.

Кроме того, немаловажным фактором в повышении уровня энергетической эффективности и экологической безопасности процессов энергопроизводства и энергопотребления являются непрерывный процесс научных исследований и внедрения разработок, развитие отечественных научных школ. Например, в НТУУ «Киевский политехнический институт» уже много десятилетий плодотворно развивается научная школа, связанная с повышением уровня энергоэффективности и экологической безопасности газосжигания. В последнее время учеными этой школы разработана и успешно внедряется современная уникальная трубчатая технология сжигания газообразного топлива, использование которой позволяет получить комплексный позитивный эффект для установок: повышение к.п.д., снижение удельных вредных выбросов газообразных продуктов, улучшение технологических характеристик эксплуатации, которые позитивно влияют на продление ресурса установки. Трубчатая технология газосжигания основана на использовании эффектов насадки Борда, широко опубликована в специальных изданиях, защищена патентами Украины и Российской Федерации и имеет широкий спектр применения в котлах, теплогенераторах и камерах сгорания газотурбинных установок (ГТУ). В качестве примера на рисунке 2.14 приведено изображение нового типа горелочного устройства трубчатого типа для камеры сгорания ГТУ в составе газоперекачивающего агрегати типа ГТ-750-6.

После проведенной модернизации фронтового устройства камеры сгорания к.п.д. установки повысился на 4,35%, экономия технологического (топливного) газа составила 15%, выбросы оксида углерода снижены более чем в 3 раза, равномерность температурного поля в зоне горения увеличилась на 45%.

Данная отечественная трубчатая технология газосжигания не имеет аналогов в мире и позволяет успешно сжигать любое газообразное топливо с очень высокими показателями энергетической эффективности и экологической безопасности.

а

б

Рис. 2.15. Горелка с термохимической подготовкой угля: а – схема процесса термохимической подготовки: 1 – канал подачи на ТХП; 2 – улитка первичной аэросмеси; 3 – коллектор подсветочного газа; 4 – улитка вторичного воздуха; 5 – трубки подачи газа; 6 – аксиальные регистры; 7 – канал первичной аэросмеси; 8 – канал вторичного воздуха; 9 – муфель; б – общий вид горелки с ТХП для котла ТПП 210А Трипольской ТЭС

Украинскими учеными разрабатываются также малотоксичные горелки для пылеугольных котлоагрегатов. Так, в Институте угольных энерготехнологий НАНУ создана и отработана технология термохимической подготовки угля. Термохимическая подготовка – это процесс высокоскоростного нагрева угольной пыли высокотемпературным газообразным теплоносителем (продукты сгорания любого топлива, плазма), в результате которого угольная пыль нагревается, изменяется ее дисперсный состав и пористая структура из-за термического растрескивания и разработки пор, происходит пиролиз и частичная газификация. Процесс сжигания такой угольной пыли сопровождается уменьшением выхода оксидов азота, поскольку ее нагрев происходит в среде продуктов сгорания, т.е. при недостатке кислорода. При этом соединения азота разлагаются с образованием не оксидов, а молекулярного азота (рис. 2.15, а ). Такая термообработка сокращает время задержки воспламенения угольных частиц, повышает полноту их выгорания, что особенно актуально для антрацита повышенной зольности, который периодически сжигается на ТЭС Украины.

На основе этой технологии Харьковским центральным конструкторским бюро «Энергопрогресс» разработаны рабочие проекты горелок котлоагрегатов ТПП 210А Трипольской ТЭС (рис. 2.15, б ) и котла ТП 170 Дарницкой ТЭЦ. ВАТ «Центрэнерго» изготовлена горелка тепловой мощностью 70МВт с термохимической подготовкой антрацита. Эта горелка обеспечит сокращение в 3–5 раз использование природного газа на подсветку и снижение выбросов оксидов азота до 40%. На технологию сжигания и конструкцию горелки получены патенты Украины. В настоящее время горелка успешно проходит промышленные испытания на Трипольской ТЭС.

Таким образом, для снижения выбросов токсических веществ в атмосферу и повышения энерго-экологической эффективности теплоэнергетики реализуются несколько направлений, среди которых можно выделить выполнение природоохранных мероприятий; использование мероприятий по энергосбережению; внедрение экологического мониторинга; стимулирование развития научных исследований и практического применения новейших научных достижений и научно-технических разработок.

К числу факторов, интенсифицирующих процесс горения, относятся:
1) повышение концентрации реагирующего газа путем обогащения воздуха кислородом;
2) увеличение реакционной поверхности топлива (путем его измельчения или использования внутренней поверхности);
3) применение повышенного давления;
4) увеличение скорости потока реагирующего газа;
5) организация непрерывного процесса горения.

С увеличением концентрации кислорода в реагирующем газе уменьшается содержание азота, увеличивается температура и растет скорость реакции. Исходя из этого, необходимо подбирать сочетание вышеуказанных параметров для того, чтобы уменьшать концентрацию NOx в газе. Кроме того, в этом случае можно уменьшить степень подогрева воздуха, что также будет способствовать уменьшению содержания окислов азота в дымовых газах.
Увлажнение воздуха в слоевых процессах способствует более интенсивному горению, особенно углей с легкоплавкой золой. При «подпаривании» воздуха, обогащенного кислородом, колосники не заливаются шлаком, доступ кислорода не тормозится, чем и обеспечивается хорошая работа топки.

Большое влияние на характер протекания процесса горения оказывает размер и количество пылевидных частиц, их однородность в смеси. Количество и размер частиц определяют долю радиационной составляющей в общем тепловом потоке горючей смеси, а однородность частиц способствует увеличению скорости их выгорания в топочном объеме. От степени измельчения топлива зависит не только скорость его горения, но и газопроницаемость слоя. Уменьшение размеров кусков в слое топлива приводит к увеличению реакционной поверхности в единице объема, которая, как известно, находится в обратной зависимости от их размера. Уменьшение размера частиц пылевидного топлива сказывается непосредственно на уменьшении времени их сгорания. C другой стороны с увеличением содержания мелочи резко возрастает сопротивление движению газов, возникают застойные зоны горения, ухудшается скорость выгорания топлива. При использовании топлива, содержащего большое количество мелочи, резко возрастает унос, снижающий к.п.д. процесса.

Немаловажным средством для интенсификации топочных процессов служит повышение давления в реакционной зоне. Оно позволяет увеличить плотность реагирующего газа в единице объема (и количество топлива при сжигании), снизить скорость движения газового потока и тем самым увеличить время контакта между реагирующим топливом и воздухом. Кроме того, появляется возможность уменьшить подсосы воздуха в топочный объем, избежать неравномерности нагрева металла и охлаждения факела. Давление оказывает влияние на скорость протекания химических реакций, но регулировать эту величину следует в пределах, которые обеспечат оптимальное время пребывания газов в реакционной зоне, допустимо высокую температуру факела для получения высокого к.п.д. агрегата и минимальное образование окислов азота.

При температурах ниже 650С начинается переход окиси азота в двуокись. Согласно нормам ПДК, двуокись азота относится ко второй группе опасности. Поэтому искусственное понижение температуры дымовых газов в результате подсоса воздуха при отрицательном давлении в печи может создать благоприятные условия для образования двуокиси азота.

Скорость и направление движения газа и воздуха влияет на интенсивность процесса сгорания топлива в потоке. При увеличении скорости потока возрастает количество сжигаемого топлива в единице объема за счет интенсификации процессов массообмена, ликвидируются застойные зоны при слоевом горении топлива, увеличивается скорость отвода дымовых газов, интенсифицируются процессы горения. Возрастание скоростей дымовых газов благоприятно сказывается на теплообмене за счет увеличения конвективной составляющей теплового потока.

Компоновка горелок в топочном объеме определяет общий размер факела, зону горения и степень заполнения дымовыми газами топочного пространства. Встречное, или параллельное движение газов в зависимости от расположения горелок повышает или понижает среднюю температуру газов в факеле и создает определенные условия теплообмена в агрегате. Однако, следует учитывать, что увеличение скорости истечения воздушного потока из горелок интенсифицирует смешение топлива с воздухом, особенно на начальном участке факела, что способствует образованию окислов азота. Поэтому необходимо подбирать такие скорости, которые определяют температуру и длину факела, способствующие равномерному теплообмену и минимальному образованию окислов азота в тепловом агрегате.

В настоящее время наиболее актуальной является проблема обеспечения малых концентраций токсичных веществ и загрязнений в районе располо­жения источников вредных выбросов.

Радикальным способом уменьшения выброса вредностей является пере­ход на газообразное топливо там, где это возможно.

Проблему уменьшения вредных выбросов можно решить различными способами, главными из которых являются:

1. Уменьшение содержания вредных веществ в топливе.

2. Снижение количества вредных веществ, образующихся в ходе горения.

3. Очистка продуктов сгорания от вредных примесей перед выбросом в атмосферу посредством установки различных уловителей и фильтров.

4. Рассеивание вредных веществ в атмосфере на большие площади с тем, чтобы создать малые концентрации вредностей в районе расположения теплогенерирующего предприятия.

Уменьшение содержания вредных веществ в топливе сопряжено со зна­чительными трудностями. Очистка твердых топлив практически неосуще­ствима, очистка жидких и газообразных топлив (очистка мазута от серы на нефтеперерабатывающих заводах и получение малосернистого природного газа) требует существенных затрат. Уменьшение содержания серы в мазуте на 0.5% увеличивает стоимость топлива, а снижение содержания серы в мазуте с 2.5 до 0.5% удваивает его стоимость. В связи с этим очистка топлив от вредных веществ в настоящее время ограничена.

На практике применяют очистку продуктов сгорания перед их выбросом в атмосферу, а также принимают меры к уменьшению количества вредных веществ, возникающих в процессе горения.

Основным методом борьбы с выбросом золовых частиц и сажи при сжигании твердых и жидких топлив является применение золоуловителей. Золоуловители бывают механические (сухие и мокрые) и электрические . В механических отделение частиц золы от дымовых газов происходит либо за счет изменения направления и скорости потока, либо за счет центробеж­ных сил, возникающих при закрутке потока в специальных устройствах (циклонах). Для повышения эффективности инерционные золоуловители объединяют в группы (батареи). Степень золоулавливания батарейных циклонов достигает 82… 90%.

В электрических золоуловителях частицы золы и пыли приобретают заряд в электрическом поле и улавливаются электродами. Степень очистки газов в электрических фильтрах может достигать 99… 99.5%.

Очистка продуктов сгорания топлив от сернистых соединений выполня­ется с учетом того, что при полном сжигании топлива практически вся сера сгорает и в продуктах сгорания находится, в основном, малореакционный диоксид серы (99%) и лишь 1% триоксида серы. Вода может улавливать существенную часть триоксида серы, а диоксид серы поглощается водой в очень малой степени. Для увеличения доли улавливания необходимо применять поглотители. Приемлемыми являются простейшие с точки зре­ния технологии и применяемой аппаратуры методы, предусматривающие использование наиболее доступных и дешевых реагентов. Одним из таких методов является метод известкования, основанный на нейтрализации сернистой кислоты, полученной в результате растворения диоксида серы дымовых газов щелочными реагентами. Применяя известковое молоко для орошения потока дымовых газов, можно добиться улавливания до 90% диоксида серы.

Основными недостатками метода является образование в газоочистной аппаратуре трудно смываемых карбонатных отложений, а также то, что применение известковых суспензий затрудняет работу распылителей и жидкостных трактов системы газоочистки. С целью устранения этих недо­статков применяется известково-щелочной способ улавливания диоксида серы, при котором улавливание оксидов серы осуществляют с помощью щелочного раствора, а известь используют для подщелачивания жидкости. Описание способа очистки, технологических схем и оборудования приво­дится в специальной литературе.

При сжигании газообразных топлив основная составляющая вредных выбросов -это оксиды азота. Очистка продуктов сгорания от оксидов азота технически сложна и в большинстве случаев экономически нерента­бельна. Необходимо принимать все меры к снижению образования оксидов азота в топках за счет внедрения наиболее рациональных режимов горения, а также применения различных мероприятий конструктивного характера. Для осуществления этих мер необходимо знать наиболее существенные факторы, влияющие на образование оксидов азота.

Решающее влияние на образование оксидов азота при горении оказывает температура. Чем выше значение температуры, тем больше образуется оксидов азота.

Большая часть оксидов азота возникает за счет реакций с азотом воздуха. По длине факела концентрация оксидов азота почти не изменяется и остается близкой к равновесной, соответствующей температуре газов на выходе из топки. За топочным объемом оксиды азота почти не образовы­ваются. В газоходах котлов только 1… 5% общего количества оксида азота доокисляется до диоксида.

Кроме температуры в ядре факела, концентрация оксидов азота зависит от величины избытка воздуха, теплового напряжения топочного объема и эквивалентного диаметра топки.

Для уменьшения выхода оксидов азота следует стремиться к умень­шению значений всех этих величин в ходе эксплуатации котельного аг­регата. Однако это требование находится в противоречии с основными тенденциями проектирования котлов. Уменьшение теплового напряжения приводит к увеличению габаритов топки и удорожанию котельного аг­регата, уменьшение эквивалентного диаметра топочного объема снижает теплопроизводительность.

Избыток воздуха в топке, при котором получается наибольший выход оксидов азота, зависит от максимальной температуры горения данного топлива. В среднем значение этих температур тем выше, чем большей теплотой сгорания обладает топливо. В соответствии с этим максимальное количество оксидов азота образуется при значении коэффициента избытка воздуха для газа, мазута и высококалорийных углей -1.16, для бурых углей-1.13. При наличии подогрева воздуха выход оксидов азота уве­личивается, так как повышается температура в ядре факела. Так, нагрев воздуха до 300° С повышает выход оксидов азота в 2 раза.

Существенное влияние на выход оксидов азота оказывают условия смешивания топлива с воздухом и условия подачи смеси в топку, т. е. тип и устройство горелки. Выход оксидов азота всегда повышается при увеличении размеров горелки и турбулентности факела пламени. При наличии турбулентного факела выход оксидов азота менее зависит от коэффициента избытка воздуха, чем в ламинарном факеле. В вихревых горелках с повышенной интенсивностью закрутки развиваются более вы­сокие температуры, и получается больший выход оксидов азота, чем в прямоточных горелках.

Как правило, мероприятия по уменьшению выбросов оксидов азота приводят к усложнению и удорожанию всей установки. Среди основных мероприятий можно указать организацию рециркуляции в топку продуктов сгорания топлива, а также подачу в топку некоторого количества пара. Существуют и другие мероприятия, описанные в специальной литературе.

Кроме газообразных вредных выбросов теплогенерирующие и техно­логические установки являются источниками сбрасывания загрязненных солями, остатками топлива и различными органическими соединениями вод. Для очистки сточных вод необходимо применять специальные меро­приятия, описание которых выходит за рамки данного пособия.

В XX веке появился новый и опасный источник загрязнения окружа­ющей среды - тепловой двигатель. Начиная с 1970 года, годовой прирост автомобильного парка составляет в среднем 4.7% по легковым автомобилям и 5.1% по автобусам и грузовым автомобилям. Если эта тенденция сохраг нится, то в 2030 году по дорогам земного шара будет бегать 1 миллиард автомобилей.

Автомобильные выхлопы обостряют глобальные экологические пробле­мы. При выработке одного бензобака образуется до 180 кг диоксида углеро­да-основного парникового газа, несущего угрозу глобального потепления. В целом в мире автомобильный транспорт выделяет примерно 14% (1990 г.) от всего диоксида углерода.

Главная > Документ

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ

1. МЕТОДЫ И СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА

Загрязнение атмосферного воздуха является наиболее серьезной экологической проблемой в настоящее время и на ближайшее будущее. Загрязненный воздух оказывает разрушительное воздействие на здоровье людей, сооружения и природу, причем от загрязненного воздуха значительно труднее уберечься, чем от загрязненной воды. Поэтому борьба с загрязнением воздуха является основной составляющей экологической политики большинства промышленных стран. Загрязнения атмосферного воздуха можно разделить на два вида: природные и антропогенные. К загрязнениям природного характера относятся выбросы газов и пепла при извержениях вулканов, твердые частицы, образующиеся при эрозии почв, лесные пожары, вынос морских солей с поверхности океана, а также биологическое разложение как результат жизнедеятельности почвенных бактерий, которое приводит к образованию больших количеств сероводорода, аммиака, углеводородов, оксидов азота и углерода. Во всех этих случаях поступление загрязняющих веществ в атмосферу значительно превышает антропогенное загрязнение атмосферы, но эти факторы на Земле существовали всегда, и природа научилась справляться с последствиями природных катастроф и неблагоприятных факторов, а от деятельности человека поступают в природу и несвойственные ей вещества, которые в естественных условиях не образуются. Антропогенные источники загрязнения обусловлены хозяйственной деятельностью человека, прежде всего при сжигании углеродсодержащих веществ – угля и продуктов его переработки, нефти и древесины, или как отходы производства химических веществ и цемента, металлургической и горнодобывающей промышленности, а также при сжигании бытовых отходов. Наиболее важными с количественной точки зрения являются газообразные продукты сгорания: оксиды серы, углерода и азота и взвешенные вещества. Для нормальной жизнедеятельности населения необходимо, чтобы не были превышены предельно-допустимые концентрации (ПДК) вредных для здоровья веществ. Увеличение масштабов антропогенного загрязнения атмосферы делает целесообразной разработку эффективных способов защиты от загрязнений, а также способов предупреждения вредного воздействия загрязняющих веществ. Поэтому охрана и защита атмосферы включает комплекс технических, административных и экономических мер, прямо или косвенно направленных на прекращение или, по крайней мере, уменьшения загрязнения атмосферы. При этом защита не может быть эффективной при односторонних или половинчатых мерах, направленных только против конкретных источников загрязнения. Необходимо комплексно подходить к определению причин загрязнения атмосферы, вкладу отдельных источников и выявлению различных возможностей ограничения выбросов загрязняющих веществ. В зависимости от масштабов распространения загрязнений в атмосфере мероприятия по охране воздушного бассейна могут иметь локальное, региональное, федеральное или межгосударственное значение. В настоящее время практически все государства имеют соответствующие законодательные акты, определяющие основу для необходимых нормативных положений в области охраны окружающей среды или целенаправленно в области борьбы с загрязнением воздуха. В Российской Федерации принципы природоохранного законодательства закреплены в Конституции РФ. Более подробно требования по охране окружающей природной среды, в частности, атмосферы, излагаются в законе «Об охране окружающей природной среды» (1991 г.) и в законе «Об охране атмосферного воздуха» (1999 г.) Охрана атмосферы представляет собой совместное выполнение мероприятий по целому ряду направлений, таких как: - мониторинг атмосферы и источников ее загрязнения; - экологическое нормирование качества атмосферы, воздухоохранное нормирование и стандартизация технологических процессов, установок, продукции, оказывающей неблагоприятное воздействие на атмосферу; - экономический и правовой механизмы охраны атмосферы и природопользования, влияющие на ее качество; - охрана и защита атмосферы, ее рациональное использование; - производство и эксплуатация воздухоохранного оборудования и установок; - экологическое образование, воспитание и пропаганда в этой области. Законодательные и нормативные документы определили порядок осуществления государственного контроля над охраной атмосферного воздуха, положения о нормировании его качества путем установления нормативов предельно-допустимых концентраций и предельно-допустимых выбросов (ПДВ), регулирования выбросов вредных веществ, в том числе от транспортных средств; воздухоохранные требования к проектированию и строительству предприятий и сооружений, их эксплуатации. Этими же документами предусматривается ответственность за нарушение нормативов качества атмосферного воздуха, за невыполнение планов воздухоохранных мероприятий. А также обязанность полного возмещения вреда, причиненного загрязнением атмосферы. Таким образом, достижение ПДК на границе санитарно-защитной зоны и в жилой зоне осуществляется, прежде всего, за счет планировочных мероприятий на стадии проектирования, технологических мероприятий по сокращению вредных выбросов, мероприятий по пыле- и – газоулавливанию (технических мероприятий), и мероприятий по улучшению рассеяния вредных веществ в атмосфере.

1. Планировочные мероприятия на стадии проектирования

Планировочные мероприятия позволяют, при постоянстве валовых выбросов, снизить воздействие загрязняющих веществ на человека. Основные планировочные мероприятия: выбор площадки размещения завода, взаимное расположение цехов и взаимное расположение завода и жилого массива. К обязательным требованиям при проектировании предприятия относятся следующие: - создание санитарно-защитных зон вокруг промышленных предприятий; - предприятие и жилой массив должны располагаться на равнинной, открытой местности, которые хорошо продуваются ветрами и отсутствуют участки местности, способствующие образованию застойных зон; - предприятия должны располагаться с подветренной стороны по отношению к жилым массивам; - площадка жилого массива должна быть не выше площадки предприятия, т.к. иначе снижается эффект рассеяния и высоты дымовой трубы; - смежные здания влияют на распространение выбросов из дымовых труб, поэтому такие трубы делают в 2,5 раза выше смежных зданий; - температура воздуха в районе завода с увеличением высоты должна уменьшаться, что способствует лучшему рассеянию примесей в атмосфере; - производства, выбрасывающие максимальное количество загрязняющих веществ должны располагаться со стороны, противоположной жилому массиву; - цеха не должны располагаться в одну линию, чтобы не объединялись выбросы; - целесообразно исключать из состава предприятия цеха, которые не являются обязательными (неотъемлемыми) для данного предприятия (аглофабрика, ТЭЦ, производство огнеупоров); - необходимо озеленение санитарно-защитной зоны специальными зелеными насаждениями.

Технологические мероприятия по снижению выбросов вредных веществ в атмосферу

Большинство технологических процессов можно изменять без ущерба для выпуска основной продукции таким образом, чтобы уменьшить количество образующихся загрязняющих веществ. По оценкам ученых, эффективное внедрение разработанных к настоящему времени технологических мероприятий, позволяет снизить валовый выброс загрязняющих веществ до 70%. Некоторые технологические мероприятия позволяют полностью ликвидировать выбросы вредных веществ. Например, непрерывная разливка стали позволяет отказаться от блюминга и нагревательных колодцев, а следовательно, и от их выбросов. На металлургических предприятиях с полным металлургическим циклом более 50 % выбросов в атмосферу пыли, оксидов углерода, азота, серы приходится на долю агломерационных фабрик. Уменьшить количество выбросов позволят технологические мероприятия, внедренные за рубежом и на части наших предприятий. Повышение высоты слоя шихты в агломашинах приводит к снижению количества пыли за счёт улучшения фильтрующей способности спекаемого слоя, Сокращение выбросов в атмосферу объёма технологического газа и пыли на 15-25 % достигается при рециркуляции агломерационного газа, отбираемого из тракта за нагнетателем и подаваемого в слой за горном. При этом изменяется состав выбросов: уменьшается содержание окиси углерода и кислорода, увеличивается концентрация паров воды и двуокиси углерода и серы. Содержание паров воды в рециркулянте способствует уменьшению химического недожога при горении твёрдого топлива и выхода СО на 20-40 %, что обеспечит сокращение расхода твёрдого топлива. Особое значение имеет рециркуляция для агломашин, оборудованных очисткой газа от серы. В связи с большими объёмами на очистку от серы подаётся примерно половина газа, а вторая половина выбрасывается в дымовую трубу без очистки. Часть газа из борова дымовой трубы можно вернуть на агломашины в качестве рециркулянта. На аглофабрике Магнитогорского металлургического комбината это позволит сократить выбросы серы в атмосферу на 28-30 %. Реализация рециркуляции позволит уменьшить расход твёрдого топлива в шихту на 5-9 %, сократить выбросы в атмосферу пыли на 15-25, окислов азота 16-27 и СО на 32-48 %. В доменном производстве для сокращения выбросов в атмосферу можно использовать следующие мероприятия: - создание в межконусном пространстве давления несколько больше, чем на колошнике печи уменьшает выбросы в 10 раз; - применение крытых вагонов для подачи агломерата в бункерную эстакаду и закрытых бункеров значительно снижают запыленность; - добавки извести позволяют связать серу и обойтись без сероочистки. При любом высокотемпературном процессе образуются окислы азота за счет связывания кислорода и азота воздуха. Наиболее эффективными технологическими методами подавления образования оксидов азота в настоящее время считаются метод ступенчатого сжигания топлива, методы рециркуляции продуктов горения с организованным вводом их перед горелками в воздушный или газовый поток, что обеспечивает хорошее смешение рециркулянта с компонентами горения и комбинированное использование методов ступенчатого сжигания и рециркуляции продуктов горения. Хорошие результаты по сокращению выбросов дает замена твердых топлив на жидкие и газообразные, газификация и десульфуризация топлив. Подобные мероприятия можно найти и на других производствах и не только в металлургии или энергетике. Некоторые технологические мероприятия,. приводящие к снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, являются общими практически для любого производства: - переход от периодических процессов к непрерывным снижает выбросы, т.к. ликвидируются промежуточные процессы с их пыле- и – газовыделением (замена скиповой подачи шихты в доменную печь на транспортерную ликвидирует выбросы от пересыпок); - все энергосберегающие мероприятия приводят к опосредованному снижению выбросов вредных веществ за счет экономии сжигаемого топлива; - повышение выхода годного продукта также ведет к сокращению валовых выбросов, поскольку материалы и энергия на производство брака не расходуются; - герметизация технологического и транспортного оборудования. Однако наиболее перспективным направлением является создание новых технологий, основанных на частично или полностью замкнутых циклах, использование альтернативных способов получения энергии и более полное использование отходов.

Технические мероприятия по снижению выбросов вредных веществ в атмосферу

Технологические мероприятия, как правило, не могут обеспечить санитарных норм по содержанию вредных веществ, поэтому в большинстве случаев необходима очистка отходящих газов от пыли и газообразных составляющих. Целью такой очистки является извлечение или нейтрализация вредных веществ, находящихся в газообразной, жидкой или твердой форме. Требования к очистке выбросов от пыли и газа предъявляются с учетом большого многообразия выбросов в атмосферу, их качественных и количественных особенностей, разной степени очистки. Соответственно разнообразны и методы очистки. Тем не менее, все методы могут быть условно разбиты на две основные группы. К первой относятся физические методы очистки газов от жидких и твердых частиц с использованием сил, имеющих физическую природу (гравитационные, инерционные, центробежные, электростатические и другие силы). Во второй группе для извлечения примесей из газовых потоков используются физико-химические методы. В зависимости от физико-химических свойств загрязняющих веществ и от условий, при которых осуществляется очистка, наиболее часто используются процессы абсорбции, адсорбции, окисления и восстановления, а также каталитические (обычно гетерогенные) химические реакции.

Физические методы очистки газов

Как правило, пылеулавливающие аппараты условно делят на следующие группы:

сухие или механические пылеуловители , в которых частицы пыли отделяются из газового потока при помощи механических сил. Чаще всего используются циклоны различных конструкций и инерционные пылеуловители. Улавливание в циклонах происходит за счет центробежных сил, а в инерционных аппаратах за счет инерции частиц пыли при резком изменении направления газового потока. Эти аппараты могут быть использованы или самостоятельно, если частицы пыли достаточно крупные, или в качестве первой ступени очистки перед более эффективными аппаратами для снижения на них нагрузки; аппараты мокрой очистки , в которых производится промывка запыленного газа жидкостью или осаждение частиц пыли на жидкую пленку. Для осуществления первого варианта мокрой очистки запыленный поток промывают диспергированной жидкостью. Во время промывки частицы пыли захватываются каплями жидкости и выводятся из газового потока. В зависимости от режима температур, давлений и влажности газа в процессе промывки может происходить испарение капель или конденсация паров из газового потока, при этом частицы пыли являются ядрами конденсации. Этот эффект может значительно улучшить осаждение пыли. В зависимости от способа диспергирования жидкости мокрые пылеуловители делят на три группы:

форсуночные скрубберы, в которых диспергирование жидкости осуществляется с помощью форсунок, за счет энергии насоса; скрубберы Вентури, в которых дробление жидкости осуществляется за счет энергии турбулентного потока; динамические газопромыватели, где разбрызгивание жидкости осуществляется за счет механической энергии вращающегося ротора.

Аппараты мокрой очистки желательно применять на производствах, имеющих систему очистки воды, если же такой нет, то лучше по возможности использовать аппараты сухой очистки;

фильтры , которые задерживают пыль при прохождении через них очищаемого газа.

Фильтрация аэродисперсных систем через пористые перегородки является одним из наиболее совершенных способов выделения взвешенных твердых и жидких частиц из газового потока. Особенности этих аппаратов заключаются в следующем:

более высокая степень очистки (свыше 99%) газов от взвешенных частиц любого размера по сравнению с другими аппаратами; универсальностью, т.е. способностью улавливать твердые частицы в сухом виде и жидкие частицы из туманов, возможностью работы при любых давлениях газов (выше или ниже атмосферного); меньшей зависимостью от изменения физико-химических свойств частиц пыли; простотой эксплуатации.

В пылеулавливании применяются тканевые, волокнистые, зернистые и другие фильтры. Осаждение происходит за счет непосредственного касания частиц пыли волокон (нитей) или зерен фильтрующей перегородки, действия сил инерции, диффузии и электростатического притяжения;

электрофильтры , в которых отделение частиц пыли происходит под действием

электрических сил (в коронном разряде). Запыленный газовый поток проходит через сильное электрическое поле, частицы пыли получают электрический заряд и ускорение, что заставляет их двигаться вдоль силовых линий поля с последующим осаждением на электродах. Электрофильтры для очистки газов от пыли работают обычно при постоянном напряжении, могут быть сухими и мокрыми, иметь одну зону, в которой происходит зарядка и осаждение частиц пыли, или несколько зон, где зарядка и осаждение осуществляются в разных зонах.. Кроме того, электрофильтры бывают пластинчатые и трубчатые. Эффективность работы электрофильтров достаточно велика и обеспечивает степень улавливания более 90%, причем эффективность улавливания частиц пыли размером 1 мкм достигает 88%. При высокой входной запыленности наблюдается явление «запирания короны» (повышение напряжения зажигания коронного разряда), поэтому перед электрофильтрами часто ставят более простые и дешевые аппараты очистки, чтобы запыленность на входе в электрофильтр не превышала 100-150 г/м 3 .

Физико-химические методы очистки газов

Газообразные загрязнители удаляют из промышленных выбросов при помощи физико-химических или химических методов. Существует пять основных методов удаления газообразных загрязнителей: абсорбция, адсорбция, конденсация, сжигание горючих загрязнителей и химическая обработка. 1 Абсорбция. Метод основан на подборе такой жидкости, при прохождении через которую вредная примесь переходит в жидкую фазу абсорбента, растворяясь в нем без химических взаимодействий и образования новых химических веществ – это физическая абсорбция . Например, физическая абсорбция применяется для очистки природных газов и газов при производстве водорода от сероводорода, диоксида углерода с использованием сульфолана, пропиленкарбоната. В тех случаях, когда абсорбенты вступают в химические реакции с очищаемым газом, например при очистке природных газов от сероводорода, диоксида углерода, диоксида серы с помощью водных растворов слабых оснований – аммиака, анилина, ксилидина, происходит процесс, называемый химической абсорбцией Абсорбция представляет собой процесс, включающий массоперенос между растворимым газообразным компонентом и жидким растворителем, осуществляемый в абсорбере. Движущей силой абсорбции является разность между парциальным давлением растворенного газа в газовой смеси и его равновесным давлением над пленкой жидкости, контактирующей с газом. Если значение движущей силы не является положительным числом, то абсорбции не происходит. Если это значение представляет отрицательную величину, то происходит десорбция , и количество загрязнителей в обрабатываемом газе может возрасти. Абсорбция протекает на поверхности раздела фаз в аппаратах, называемых абсорберами, поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на поверхностные, распыливающие и барботажные. Поверхностные абсорберы поглощают газ пленкой жидкости, образующейся на поверхностях, смачиваемых жидкостью и омываемых газом. В таких абсорберах газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости. Примером пленочного абсорбера может служить трубчатый абсорбер, в котором жидкость стекает сверху вниз по внутренней поверхности труб, омываемых поднимающимся снизу вверх газом. В качестве насадочных абсорберов широкое распространение получили колонны, заполненные насадкой – твердыми телами различной формы. В насадочной колонне насадка укладывается на опорные решетки, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, но течение жидкости происходит только по элементу насадки, а не по всей высоте аппарата. При перетекании жидкости с одного элемента на другой пленка жидкости разрушается. Барботажные абсорберы представляют собой обычно вертикальные колонны, внутри которых размещены горизонтальные перегородки – тарелки. С помощью тарелок осуществляется направленное движение фаз и многократное взаимодействие жидкости и газа. В распыливающих абсорберах контакт между фазами достигается путем распыливания или разбрызгивания жидкости в газовом потоке. 2. Адсорбция – это диффузный процесс, в котором повышенная концентрация отделяемого газообразного вещества образуется на границе раздела фаз в результате связывания этих веществ на поверхности твердого или жидкого соединения. Если между молекулами адсорбированного вещества и адсорбента не происходит химических реакций, то подобный процесс относится к физической адсорбции, в отличие от хемосорбции , когда происходит перенос или объединение электронов адсорбента и адсорбата, как у химических соединений. При физической адсорбции адсорбированное вещество можно полностью удалить при обратном процессе (десорбции), например, понизив давление или увеличив температуру, а хемосорбированное вещество вернуть в газовую фазу невозможно, т.к. процесс необратим. Поскольку процессы хемосорбции идут только в тонких поверхностных слоях адсорбента, то для повышения эффективности процесса активную поверхность хемосорбента увеличивают за счет нанесения его тонкими слоями на поверхности инертного тонкодисперсного носителя. В промышленности в качестве поглотителей чаще всего применяют активные угли и минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.), а также синтетические ионообменные смолы (иониты). Процессы адсорбции могут проводиться периодически (в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента) и непрерывно в аппаратах с движущимся или кипящим слоем адсорбента. 3. Конденсация может быть применена для обработки систем, содержащих пары веществ при температурах, близких к их точке росы. Этот метод наиболее эффективен в случае углеводородов и других органических соединений, имеющих достаточно высокие температуры кипения при обычных условиях и присутствующих в газовой фазе в относительно высоких концентрациях. Для удаления загрязнителей, имеющих достаточно низкое давление пара при обычных температурах, можно использовать конденсаторы с водяным и воздушным охлаждением. Для очень летучих растворителей возможна двухстадийная конденсация с использованием водяного охлаждения на первой стадии и низкотемпературного охлаждения – на второй. Замораживание до очень низких температур только с целью удаления загрязнителей редко является целесообразным; если в замораживании нет необходимости по каким-либо другим технологическим причинам. Максимальное снижение содержания инертных или неконденсирующихся газов в обрабатываемой смеси позволяет облегчить проведение процесса конденсации и повысить ее экономическую эффективность. Конденсацию можно проводить при непосредственном контакте или косвенном охлаждении. В первом случае охлаждаемый пар непосредственно контактирует с охлажденной или замороженной жидкостью. При косвенном охлаждении используется поверхностный конденсатор с металлическими трубками. Трубки охлаждаются жидким хладореагентом с другой стороны стенки. В случае неконденсирующихся газов пере охлаждением проводят их сжатие, что позволяет достичь эквивалентного парциального давления загрязняющего вещества при более высоких температурах. 4. Очистка газов дожиганием представляет собой метод очистки газов путем термического окисления углеводородных компонентов до СО 2 и Н 2 О. Это определение может быть полностью отнесено и к жидким отходам. В ходе процесса другие компоненты газовой смеси, например, галоген- и серосодержащие органические соединения, также претерпевают химические изменения и в новой форме могут эффективно удаляться или извлекаться из газовых потоков. С точки зрения охраны окружающей среды очистка газов методом дожигания обеспечивает требуемую чистоту выбросов в атмосферу с минимальным содержанием непрореагировавших углеводородов, оксидов азота и серы, галогенов и других органических соединений. 5. Химические методы очистки отходящих газов . Устранение нежелательных компонентов в газах с использованием химических методов означает, что в основе процесса лежит химическая реакция, и ее роль является преобладающей по сравнению с процессами адсорбции, абсорбции, конденсации или сжигания. В большинстве случаев, однако, технология сочетает в себе несколько операций и достаточно сложно классифицировать метод очистки в соответствии с перечисленными физико-химическими методами. Рассмотрим химические методы на примере очистки газов от оксидов азота и серы.

Очистка газов от оксидов азота . Наиболее часто для очистки от NO X применяются два метода: некаталитическое гомогенное восстановление NO X добавками аммиака и селективный гетерогенно-каталитический процесс восстановления оксидов азота в присутствии NН 3 .

Некаталитический процесс основан на восстановлении NO до N 2 и Н 2 О в присутствии кислорода и вводимого восстановителя – аммиака (NН 3) и предназначен для очистки отходящих газов систем сжигания от оксидов азота. Метод селективного каталитического восстановления (СКВ) основан на реакции восстановления оксидов азота аммиаком на поверхности гетерогенного катализатора в присутствии кислорода. Термин селективный в данном случае отражает предпочтительное протекание каталитической реакции аммиака с оксидами азота по сравнению с кислородом. В то же время кислород является реагентом в каталитической реакции. Метод СКВ применим прежде всего к топочным газам в условиях полного сгорания – содержание кислорода в них не более 1% и отходящий газ подвергается химической реакции в окислительных условиях. Неселективное каталитическое восстановление (НСКВ). В данном методе восстанавливающий агент – аммиак заменяется другими восстановителями (Н 2 , СО, углеводороды). Эти восстановители действуют неселективно, поскольку взаимодействуют с кислородом и SO 2 газового потока: это взаимодействие идет параллельно с целевой реакцией восстановления оксидов азота, что требует значительного избытка восстановителей.

б. Очистка газов от SO 2 . Методы очистки газов от SO 2 предполагают предварительную стадию адсорбции SO 2 , но их основу составляют химические превращения оксидов серы в новое химическое соединение, выделяемое из газового потока.

Процесс с использованием С uO / CuSO 4 . Метод обеспечивает одновременную очистку газов от NO X и SO X в присутствии катализатора – оксида меди (CuO) , нанесенного на оксид алюминия. Топочный газ подается в реактор с параллельным расположением каналов для прохождения газового потока, заполненных катализатором. Методы с добавлением извести: приготовление гранул из угольной крошки с добавлением извести для использования в колосниковых топках и добавление порошкообразной извести к угольной пыли для использования в топках с форсуночным распылением топлива. Введение сухого сорбента позволяет снизить концентрацию диоксида серы на 50%. Сухой щелочной агент вдувается под давлением в магистраль отходящего топочного дыма, и прореагировавшие твердые продукты отделяются от потока. Для отделения используются тканевые фильтры.

Выброс ядовитых веществ особенно силен в крупных городах и центрах промышленности. Человек в среднем за сутки человек вдыхает до 20 тысяч литров воздуха. Однако вместе с необходимым организму чистым кислородом мы проносим через легкие ядовитые пары, частицы копоти и пепла. Они оседают в наших легких, отравляя человека. Долгое воздействие смога приводит к общему плохому самочувствию, позже – к головным болям и тошноте, раздражаются слизистые оболочки, развиваются болезни легких и сердечно-сосудистой системы. Если не принять никаких мер, оседающие в организме вещества приведут к летальному исходу.

Разрушение озонового слоя приводит к сильному облучению всей планеты. Ультрафиолетовые лучи сильнее начинают действовать на организм животных и человека. Пагубное влияние радиации вызывает общее ослабление иммунитета, развитие страшных болезней: рака кожи и слизистых оболочек, катаракты.

Парниковый эффект

Возникает вследствие вырубки лесов и истощение озонового слоя атмосферы Земли. Дыры в верхних слоях атмосферы пропускают все больше солнечной радиации, затем тепло подогревает , а те – поверхность планеты. Уже от земли тепло вновь подогревает планету. Причина того, что излучение не возвращается в космос, кроется в скоплении парниковых газов в нижнем слое воздушной оболочки, дела ее слишком плотной.

Парниковый эффект может привести к другой проблеме – «глобальному потеплению». Из-за задержки теплового излучения на планете начинает повышаться средняя температура Земли. Это приводит к таянию ледников на полюсах, затем к повышению уровня мирового океана. Ученые уже наблюдают постоянные затопления некоторых прибрежных зон. Если парниковый эффект не остановить, произойдет затопление многих участков суши, погибнут животные, люди и растения.

Кислотные дожди

Из-за выброса в атмосферу Земли в больших объемах вредных веществ промышленными предприятиями случается такое явление, как кислотные дожди. при взаимодействии с парами воды в воздухе образуют кислоту.

Выпадающие кислотные осадки, дожди и снег становятся кислыми. Они приводят к страшным последствиям для всей природы:

• При взаимодействии с бетонными и кирпичными строениями наносят им непоправимый вред. Повреждаются отделка, трубы, крыши;
• За несколько десятков лет кислотные осадки испортили множество памятников культуры;
• Автомобили, попавшие под кислотный дождь, становятся непригодными для использования, ломаются двигатели, разъедается металл, шины и стекло;
• Отравляется почва. Она становится кислой, что приводит к понижению ее плодородия;
• Кислотные дожди губят растения, опустошая целые зеленые участки;
• Кислотный дождь и снег несет огромные убытки всему сельскому хозяйству. Гибнет отборный урожай, гниют деревья, отравленной травой питаются сельскохозяйственные животные, которые либо тяжело заболевают, либо умирают;
• Такие осадки отравляют водоемы, что приводит к гибели этой экосистемы.

Пути решения проблемы загрязнения атмосферы

Проблема загрязнения воздушной оболочки нашей планеты – дело каждого человека без исключения. Для уменьшения пагубного влияния промышленной деятельности человека привлекаются ученые.

Для того, чтобы промышленные предприятия выбрасывали в атмосферу меньше ядовитых веществ, предлагается несколько способов:

• Абсорбционный (поглотительный): предполагает установку фильтров из активированного угля, известняка и его щелочных растворов, аммиака. Эти вещества отлично впитывают в себя вредные газы. К плюсам этого способа относят хорошее качество очистки и простоту. Однако устройства с фильтрами занимают достаточно много места, а также периодически менять очистительную жидкость;
• Окислительный способ хорош тем, что выжигает в воздух горючие вредные примеси. К минусу такого метода относят выделение углекислого газа;
• Каталитический: ядовитые пары и газы пропускают через твердые катализаторы, ускоряющие процесс отделения вредных веществ и примесей. Способ хоть и действенный, но требует огромных средств и тратит много энергии;
• Механический способ применяют уже достаточно редко. Газ загоняют в специальные турбины, где винтами, создающих вихри, собираются ядовитые частицы. Кроме высоких затрат энергии и необходимости постоянного обслуживания аппарата (удаление с винтов собранных частиц) этот способ малоэффективен, слабо очищает воздух;
• Электроогневой способ – самый новый и самый эффективный из всех существующих способов очистки газов. Необходимое для очистки загоняется в сосуды, а после – пропускается сквозь наэлектризованное пламя. К сожалению этот метод очень трудно осуществить и поэтому применяется редко.

Иногда лучше сочетать сразу несколько способов очистки воздуха от ядовитых веществ.
Чтобы обезопасить атмосферу от выбросов в нее выхлопных газов из промышленных и выхлопных труб, в них устанавливаются фильтры, специальные добавки, в которые не входит свинец, каталитические нейтрализаторы. Очень важно следить за качеством заливаемого топлива: дешевое масло и бензин выделяют слишком много вредных веществ. Стали выпускаться новые модели автомобилей, выбрасывающие в атмосферу значительно меньше ядовитых газов. Во многих странах общественный транспорт стал полностью работать от электричества или на биотопливе. В некоторые транспортные средства устанавливают газобаллонное оборудование. Ведутся разработки двигателей, которые не нуждаются в переключении на другие режимы.

Организация крупных городов также требует изменений. Заводы, предприятия, автотрассы и аэропорты необходимо отделять от жилых районов плотной зеленой стеной из деревьев и кустарников, выступающих в роли естественного фильтра и генератора кислорода. Желательно, строить промышленные организации за чертой города.

Необходимо реформировать обработку мусора, которая уменьшит размеры свалок, испускающих при разложении метан и другие вещества, разрушающие озоновый слой. Можно ввести повторное использование материалов, использовать другие способы избавления от мусора, кроме сжигания.

В сельском хозяйстве рекомендуется предложить постепенный отказ от химикатов, отравляющих как почву, так и воздушную оболочку. Навоз и другие органические остатки можно использовать в качестве натуральных удобрений, безопасных для природы.

Сохранение лесов – одна из важнейших задач современности. Именно деревья постепенно снижают действие парникового эффекта, фильтруют воздух и выделяют кислород.

Со стороны государства необходимо издать ряд законов, предусматривающих введение ответственности за загрязнение воздуха. Создание специальной службы, которая в составе комиссии будет осматривать промышленные предприятия, следить за организацией городов.

Болота по праву считаются лучшими фильтрами нашей планеты. Вредные вещества оседая в них перерабатываются в безобидные. Благодаря сохранению болот в России наша страна может похвастаться одним из лучших состоянием атмосферы.

Необходимо распространить знания о загрязнении атмосферы среди всего населения. Тогда люди начнут соблюдать ряд мер, чтобы уменьшить количество выбросов ядовитых веществ в воздушное пространство.

Уже существует завод, перерабатывающий радиоактивные отходы с атомных электростанций и предприятий, производящих реактивное топливо. Если развить это направление, то тяжелых металлов в атмосфере будет гораздо меньше.

Проблема загрязнения атмосферы на сегодняшний день наиболее актуальна. Необходимо скорее решать ее, иначе бездействие приведет к ужасным последствиям.